宽温区多参数差压变送器的设计

夏爱明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

宽温区多参数差压变送器的设计

夏爱明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

该文设计了一款宽温度范围工作、多参数测量的差压变送器，以消减静压对差压测量的影响。介绍了该款宽温区多参数差压变送器的基本原理；完成了宽温区多参数差压变送器的结构设计、信号调理电路设计、抗干扰和防静电设计、变送器的工艺技术设计、多参数差压变送器的宽温区温度补偿；详细介绍了该差压变送器的结构和性能。经过温漂测试，该产品基本满足设计要求。产品已经投入使用。

差压变送器；多参数；宽温度；静压影响

多参数差压变送器可以同时测量2个压力点的差值及其中1个压力点的静压，并将2种压力信号转换为标准电压、电流、数字信号输出，达到测量压力目的，转换后的信号可以直接与计算机、控制仪表、显示仪表、无线发射装置等连接。在油田集输工艺中，多参数差压变送器可用于测量沉降罐中油水混合物的含水率[1]；在医疗设备、液化天然气汽车中，可以用来测量液体、气体的剩余量[2]。

传统的测静压、差压方式多采用1个静压传感器测出静压和1个差压传感器测出差压。但在实际应用中，单独静压传感器和单独差压传感器在引压时存在一些问题，并且单独差压传感器受静压影响会产生误差，使得测试精度较低[3]。

宽温区多参数差压变送器采用特制的一体式压阻式扩散硅复合差压传感器，该传感器规避了静压的影响，将单独静压传感器和单独差压传感器合二为一，减小了传感器的空间，并且采用一体化数字电路、抗干扰设计，使用数字电路进行宽温区补偿，使其具有高精度、宽温区、抗干扰、小型化、稳定性好、易安装等特性。

1 变送器的测量原理

压阻式压力传感器的基本原理是利用硅的压阻效应，将被测压力的变化转换为敏感元件的电阻变化，然后通过转换电路将电阻值的变化转换为毫伏电压输出[4]。

宽温区多参数差压变送器核心压力元件，是1只特制的一体式压阻式扩散硅复合差压传感器，这种传感器采用在高压端设置1个单压芯片、低压端设置2个单压芯片，高压端芯片使用正半桥，低压端其中一个芯片也使用正半桥构成一个全桥测差压，低压端另一个芯片使用全桥测静压。压阻式扩散硅复合差压传感器将差压和静压转换为毫伏级信号后，利用专用集成电路将毫伏信号放大，转换为标准电压、电流、数字信号输出。其测量流程如图1所示。

图1 测量流程示意Fig.1 Measurement flow chart

2 变送器设计

2.1 变送器设计框架

宽温区多参数差压变送器的设计主要包括多参数差压变送器的结构设计、扩散硅复合差压传感器信号调理电路设计、抗干扰和防静电设计、多参数差压变送器的宽温区温度补偿等。

2.2 多参数差压变送器的结构设计

多参数差压变送器的基本结构如图2所示，主要包括主壳体、上盖、复合差压传感器、侧面紧固装置、高压端、低压端、信号调理电路板。

高压端、低压端通过氩弧焊工艺焊接到变送器的主壳体上，主壳体内与高压端、低压端连接处设计有缓冲腔，防止进压端的瞬时压力将复合差压传感器损坏；复合差压传感器通过侧面紧固装置固定在主壳体内；信号调理电路板通过螺钉固定在主壳体上，密封在上盖内；放大信号引出线通过紧线尽头紧固到上盖上；多参数差压变送器整体通过安装孔固定到现场的安装板上；考虑到变送器用于室外存在雨淋等状况，其内部多处都进行了防水设计；考虑到多参数差压变送器的宽温区范围工作，所有材质的选择都符合耐低温（-40℃）和高温（85℃）的要求；考虑到原油、液化天然气的腐蚀性，所有材料都采用耐腐蚀材料。

图2 多参数差压变送器的基本结构Fig.2 Basic structure of the differential pressure transmitter

当液体通过高压端作用到复合差压传感器的高压感知膜片，气体通过低压端作用到复合差压传感器的低压感知膜片，使膜片产生与压力成正比的微位移，从而将压力传递到复合差压传感器的压力芯片上，压力芯片上的惠斯顿电桥电阻值发生变化，从而输出毫伏级信号，利用信号调理电路将毫伏级信号转换为标准电压信号，实现压力信号与电压信号的线性转换，从而实现气-液两相流的气态和液态的测量。

2.3 信号调理电路设计

基于宽温区多参数复合差压变送器多使用在室外，存在无外接电源的情况，该变送器的信号调理电路设计采用低电压供电、低功耗的专用集成放大芯片，同时具备宽温区数字化温度补偿的功能。

此专用集成放大芯片的控制电路由微型控制调节器（CMC）和控制电路模块组成，这些控制电路模块包括A/D转换器、数字接口控制电路、PWM及数字串口接口电路组成。全部设备的工作模式通过E2PROM进行配置。CMC不仅是整个测量过程中的控制器，同时也实现对宽温区多参数符合差压变送器信号的修正和调节。计算机通过专用集成放大电路一线接口（one wire interface）进行通信，以实现信号调理目的。芯片的结构框图如图3所示。

图3 专用集成放大芯片结构Fig.3 Structure block diagram of ASIC

调理电路调理后设计为模拟电压输出，电源供电后通过三端稳压管U12，U21将给专用集成放大芯片的供电降低以提高其工作时间。信号调理电路的设计原理如图4所示。

图4 调理电路原理Fig.4 Principle of conditioning circuit

2.4 抗干扰和防静电设计

多参数差压变送器的主壳体材质为金属，且裸露在外。外界中存在雷击和很多带电物，这些带电体的电压可以高到几千伏[5]；外界中也存在着各种长波、短波电磁信号，这些电磁信号容易对多参数差压变送器输出产生影响，导致输出失真。

为了保护多参数差压变送器内部信号调理电路不受超高电压破坏，降低电磁信号对多参数差压变送器输出的影响。多参数差压变送器内部设有专用于防电磁干扰和静电的保护电路。保护电路原理如图5所示。

图5 保护电路原理Fig.5 Protection circuit principle

如图所示，D1为一级防静电保护管，几千伏的超高电压可以先通过此保护管吸收，当静电电压超过一级保护管的承受能力时，此时保险丝R0熔断，电路暂时断开，当静电电压恢复到一级保护管的承受能力时，一级保护管发挥作用，信号继续通过保险丝R0传输到二级保护管D2，此时二级保护管D2吸收较低的静电电压，从而保护多参数复合差压变送器的内部电路。L1，L2，C1，C2，C3共同构成了防电磁干扰保护电路。当无效干扰信号通过这些器件时就会被滤除，保证信号传输的稳定，此时的接地端需要有效连接多参数复合差压变送器的主壳体。

2.5 多参数差压变送器的宽温区温度补偿

多参数差压变送器的敏感元件是硅压阻式复合差压传感器，采用半导体材料制成，受温度影响较大，如果不进行温度补偿，就会产生温度漂移，从而产生较大的测量误差[6]。此多参数差压变送器采用专用集成放大芯片，此芯片能对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿，补偿范围可以达到-40～125℃，它由一个16位的RISC微控制器进行补偿，补偿后变送器的温漂可以达到0.5%FS（-40～125℃）。

3 试验结果

根据宽温区多参数差压变送器设计原理生产出的产品，选取2只进行温漂测试（变送器输出均为0.5～2.8 V）。1只进行IP67测试，另外1只进行对讲机干扰测试，测试结果见表1~表3。由表可知此宽温区多参数差压变送器基本满足设计要求。

4 结语

提出了一种新型的宽温区多参数差压变送器的设计方案，可以实现变送器宽温区、多参数的测量，解决了传统差压变送器受温漂、静压影响误差大，测量不准确，占用空间大，不易于安装等问题。该宽温区多参数差压变送器相关部分已经申请了国家知识产权局的专利，本设计是在申请基础上的改进型。产品在医院液氧灌、液化天然气汽车投入使用后，测试结果理想，性能稳定。

表1 温漂测试Tab.1 Temperature drift test

表2 IP67测试Tab.2 IP67 test

表3 对讲机干扰测试Tab.3 Intercom interference test

[1] 张冬至，胡国清.油水混合物含水率在线检测技术最新研究进展[J].传感器与微系统，2009，28（10）：5-8.

[2] 胡浩，钟丽琼，周潜.差压传感器技术的现状与发展[J].机床与液压，2013，41（11）：187-190.

[3] 林木森，杨清风.复合功能差压传感器[J].国外传感技术，2005，15（1）：19-21.

[4] 高峰，赵建立，李静文.SOI宽温区微型只能压力传感器的设计与实现[J].自动化仪表，2016，31（12）：18-22.

[5] 韩亚南，赵柏秦，吴南健.面向WSN的土壤盐分、水分、温度传感器的设计[J].仪器技术与传感器，2016，46（11）：5-9.

[6] 卞金洪，王吉林，周锋.高精度压力传感器中温度补偿技术研究[J].哈尔滨理工大学学报，2011，16（6）：55-57.

Design of Multi-parameter Differential Pressure Transmitter in Wide Temperature Range

XIA Ai-ming，GAO Feng

（Nanjing Wotian Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211161，China）

A differential pressure transmitter with wide temperature range and multi parameter measurement is designed to reduce the influence of static pressure on differential pressure measurement.The basic principle of multiparameter differential pressure transmitter in the wide temperature range is introduced.Multi-parameter differential pressure transmitter in wide temperature range structure design，the signal conditioning circuit design，anti-interference and anti-static design，technology design of the transmitter，wide temperature range compensation of multi-parameter differential pressure transmitter is completed.The structure and properties of the differential pressure transmitter are introduced in detail.After the temperature drift test，the product basically meets the design requirements.The product has been put into use.The relevant parts have applied for national patent.

differential pressure transmitter；multiple parameter measurement；wide temperature range；influence of static pressure

TP212

B

1001-9944（2017）11-0028-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.007

2017-04-28；

2017-09-04

夏爱明（1985—），男，学士，工程师，研究方向为压力变送器制造技术。